CN112361959A - 用于直升机桨叶运动姿态测量的编码点坐标校正方法、系统及计算机可读存储介质 - Google Patents

用于直升机桨叶运动姿态测量的编码点坐标校正方法、系统及计算机可读存储介质 Download PDF

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CN112361959A CN202011231626.5A CN202011231626A CN112361959A CN 112361959 A CN112361959 A CN 112361959A CN 202011231626 A CN202011231626 A CN 202011231626A CN 112361959 A CN112361959 A CN 112361959A
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Abstract

本发明提供一种用于直升机桨叶运动姿态测量的编码点坐标校正方法、系统及计算机可读存储介质，方法包括：构建包含刚性连接的第一、第二和第三工业相机组成的测量单元，相邻的工业相机存在公共视区且分别组成第一组和第二组双目测量单元；分别对第一组和第二组双目测量单元进行标定，得到标定结果；在直升机的桨叶下表面粘贴编码点，在参考物上粘贴参考编码点，计算参考坐标点的三维坐标；在直升机的桨叶运动过程中，第一和第二工业相机分别获得包含编码点的二维图像，根据标定结果重建成所述编码点的三维坐标；第三工业相机实时追踪参考编码点，得到第一和第二工业相机的运动姿态；对编码点的三维坐标进行校正。操作简单、灵活、准确。

Description

用于直升机桨叶运动姿态测量的编码点坐标校正方法、系统 及计算机可读存储介质
技术领域
本发明涉及光学测量的技术领域，尤其涉及一种用于直升机桨叶运动姿态测量的编码点坐标校正方法、系统及计算机可读存储介质。
背景技术
目前直升机桨叶运动姿态的视觉测量是通过在桨叶表面粘贴圆形编码点，然后基于双目立体视觉技术，三维重建出圆形编码点的三维坐标，最后根据圆形编码点三维坐标解算桨叶姿态角等参数。该测量方案涉及编码点识别与中心点像素坐标提取、相机标定、编码点三维重建技术。
上述技术方案在执行过程中假设测量单元是静止不动的，但是在桨叶测量过程中由于风力、振动等原因造成测量单元微小运动，引起桨叶上的圆形编码点相对位置关系计算不准确，从而增加了测量误差，影响测量结果的准确性，为了提高测量精度，在实际测量过程中必须考虑测量单元运动的问题，以剔除其造成的测量误差。
以上背景技术内容的公开仅用于辅助理解本发明的构思及技术方案，其并不必然属于本专利申请的现有技术，在没有明确的证据表明上述内容在本专利申请的申请日已经公开的情况下，上述背景技术不应当用于评价本申请的新颖性和创造性。
发明内容
本发明为了解决现有的问题，提供一种用于直升机桨叶运动姿态测量的编码点坐标校正方法、系统及计算机可读存储介质。
为了解决上述问题，本发明采用的技术方案如下所述：
一种用于直升机桨叶运动姿态测量的编码点坐标校正方法，包括如下步骤：
S1：构建包含刚性连接的第一工业相机、第二工业相机和第三工业相机组成的测量单元，所述第一工业相机和所述第二工业相机相邻并存在第一公共视区组成第一组双目测量单元、所述第二工业相机和所述第三工业相机相邻并存在第二公共视区组成第二组双目测量单元；S2：分别对所述第一组双目测量单元和所述第二组双目测量单元进行标定，得到标定结果；S3：在直升机的桨叶下表面粘贴编码点，在参考物上粘贴参考编码点，所述桨叶下表面的编码点处于所述第一工业相机和所述第二工业相机视场范围内，所述参考物上的参考编码点处于所述第三工业相机的视场范围内，计算所述参考编码点的三维坐标；S4：在所述直升机的桨叶运动过程中，所述第一工业相机和所述第二工业相机分别获得包含所述编码点的二维图像，根据所述标定结果重建成所述编码点的三维坐标；S5：在所述直升机的桨叶运动过程中，所述第三工业相机实时追踪所述参考编码点，计算所述第三工业相机的运动姿态，进而得到所述第一工业相机和所述第二工业相机的运动姿态；S6：根据所述第一工业相机和所述第二工业相机的运动姿态对所述编码点的三维坐标进行校正。
优选地，利用十字标尺对所述第一组双目测量单元和所述第二组双目测量单元进行标定，所述十字标尺包含圆形编码点。
优选地，对所述第一组双目测量单元和所述第二组双目测量单元进行标定包括如下步骤：S21：采用所述第一工业相机、所述第二工业相机和所述第三工业相机拍摄不同位姿十字标尺，生成标定图像，识别所述标定图像上的编码点；S22：利用摄影测量技术，选择两张所述标定图像进行相对定向，计算得到部分所述编码点的三维坐标；根据所述编码点的三维坐标对单张所述标定图像进行绝对定向，确定拍摄所述标定图像的工业相机在十字标尺的世界坐标系中的位姿以及计算剩余编码点的三维坐标，从而获得各个工业相机的初始外参数；S23：利用所述初始外参数和初始内参数作为初值，基于光束平差算法求解所述第一组双目测量单元和所述第二组双目测量单元的标定结果。
优选地，所述标定结果包括：平移矩阵、旋转矩阵组成的第一外参数，主点偏差、镜头焦距以及畸变参数组成的第一内参数；
根据所述标定结果对所述第一工业相机、所述第二工业相机和所述第三工业相机的成像畸变造成的像素偏差建模如下公式一所示：
Figure BDA0002765410230000021
其中，Δxr表示图像的径向畸变在x方向的分量，Δyr表示图像的径向畸变在y方向的分量；Δxt表示图像的偏心畸变在x方向的分量，Δyt表示图像的偏心畸变在y方向的分量，Δxp表示图像的像平面畸变在x方向的分量，Δyp表示图像的像平面畸变在y方向的分量；
Δxr、Δyr、Δxt、Δyt、Δxp、Δyp具体计算公式如下公式二所示：
Figure BDA0002765410230000031
其中，K1，K2，K3表示径向畸变参数；B1，B2表示偏心畸变参数；E1，E2表示像平面畸变参数；
Figure BDA0002765410230000032
(xc，yc)表示图像中心像素点坐标，(x，y)表示图像像素坐标。
优选地，还包括：以所述第二工业相机为基准相机，将所述第一工业相机和所述第三工业相机的所述第一外参数转到所述第二工业相机的坐标系下，获得第二外参数，具体包括如下步骤：
令Ri,j，Ti,j分别表示所述标定图像相对所述十字标尺的世界坐标系的旋转矩阵和平移矩阵，将所述第二工业相机的所述第一外参数转换到坐标原点，将世界坐标系从所述十字标尺的世界坐标系变为所述第二工业相机所在坐标系；
将所述第一工业相机、所述第三工业相机的所述第一外参数变换到以所述第二工业相机为基准的坐标系下：
Figure BDA0002765410230000033
计算所述第二外参数：
Figure BDA0002765410230000034
其中，i＝1，2，3，j＝1，2，...，n，n表示标定图像数量。
优选地，在步骤S4中，识别出所述二维图像中的所述编码点，提取所述编码点的中心像素点，并根据所述相机成像畸变参数对所述中心像素点进行校正，得到校正后的中心像素点，并得到所述校正后的中心像素点的二维坐标，根据所述外参数将所述二维坐标重建成所述编码点的三维坐标。
优选地，在所述直升机的桨叶运动过程中，所述第三工业相机实时追踪所述参考编码点，计算所述第三工业相机的运动姿态包括：根据所述参考编码点的三维坐标构建如下误差方程：
V＝Bt-L
其中：
Figure BDA0002765410230000041
Figure BDA0002765410230000042
t＝[ΔXs ΔYs ΔZs Δφ Δω Δκ]T
Figure BDA0002765410230000043
其中，V表示像素点坐标；B表示外参数偏导数矩阵；t表示外参数， (ΔXs，ΔYs，ΔZs)表示平移向量，
Figure BDA0002765410230000044
表示欧拉角，欧拉角用于转化为旋转矩阵；L表示图像像素点坐标观测值与初值偏差，初值是使用参考编码点通过求解共线方程得到；
求解所述误差方程得到所述第三工业相机的运动姿态t。
优选地，根据所述第一工业相机和所述第二工业相机的运动姿态对所述编码点的三维坐标进行校正，校正后的桨叶下表面的编码点的三维坐标Cr和中间变量 Cb通过如下公式计算得到：
Figure BDA0002765410230000051
将所述中间变量Cb代入校正后的桨叶下表面的编码点的三维坐标Cr得到校正后所述编码点的三维坐标如下：
Cr＝RF -1(W-TF)
其中：
RF＝R0RR
TF＝T0+R0TR
其中，R0是第三工业相机跟踪参考编码点得到的旋转矩阵，T0是第三工业相机跟踪参考编码点得到的平移矩阵，W是桨叶下表面的编码点的三维坐标，平移矩阵RR和旋转矩阵TR是第一工业相机相标定得到的变换矩阵。
本发明还提供一种用于直升机桨叶运动姿态测量的编码点坐标校正系统，包括：第一单元：构建包含刚性连接的第一工业相机、第二工业相机和第三工业相机组成的测量单元，所述第一工业相机和所述第二工业相机相邻并存在第一公共视区组成第一组双目测量单元、所述第二工业相机和所述第三工业相机相邻并存在第二公共视区组成第二组双目测量单元；第二单元：分别对所述第一组双目测量单元和所述第二组双目测量单元进行标定，得到标定结果；第三单元：在直升机的桨叶下表面粘贴编码点，在参考物上粘贴参考编码点，所述桨叶下表面的编码点处于所述第一工业相机和所述第二工业相机视场范围内，所述参考物上的参考编码点处于所述第三工业相机的视场范围内，计算所述参考编码点的三维坐标；第四单元：在所述直升机的桨叶运动过程中，所述第一工业相机和所述第二工业相机分别获得包含所述编码点的二维图像，根据所述标定结果重建成所述编码点的三维坐标；第五单元：在所述直升机的桨叶运动过程中，所述第三工业相机实时追踪所述参考编码点，计算所述第三工业相机的运动姿态，进而得到所述第一工业相机和所述第二工业相机的运动姿态；第六单元：根据所述第一工业相机和所述第二工业相机的运动姿态对所述编码点的三维坐标进行校正。
本发明再提高一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上任一所述方法的步骤。
本发明的有益效果为：提供一种用于直升机桨叶运动姿态测量的编码点坐标校正方法、系统及计算机可读存储介质，通过利用第三工业相机测量相机相对参考编码点的运动姿态，通过坐标变换，将该姿态矩阵变换到第一和第二工业相机坐标系统下，用于更新桨叶编码点位置坐标，计算简单，结果准确；此外，编码点的识别、匹配相对于普通的圆形标记点成功率更高，操作简单、灵活、准确。
进一步地，包含三个工业相机的测量单元组成了两组双目测量单元，节约了一个相机，降低成本。
再进一步地，在测量直升机运动姿态过程中也需要使用编码点，因此这个运动补偿技术能够很好地融合到测量过程中，不需要使用其他的仪器设备就可以对测量单元的相对位移进行测量，因此充分利用现有资源的优点。
更进一步地，通过非接触光学测量方法，基于现有光学测量系统计算系统自身的相对运动，相对于其他传感器具有操作简单、结果精确的优点。
附图说明
图1是本发明实施例中一种用于直升机桨叶运动姿态测量的编码点坐标校正方法的示意图。
图2是本发明实施例中一种用于直升机桨叶运动姿态测量的编码点坐标校正装置的示意图。
图3是本发明实施例中对所述第一组双目测量单元和所述第二组双目测量单元进行标定的方法示意图。
图4是本发明实施例中一种圆形编码点的示意图。
图5是本发明实施例中一种十字标尺的示意图。
图6是本发明实施例中一种用于直升机桨叶运动姿态测量的编码点坐标校正系统的示意图。
具体实施方式
为了使本发明实施例所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。
需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多该特征。在本发明实施例的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
本文提出的技术方案主要用于解决在直升机桨叶运动姿态测量实验中由于实验因素导致测量单元小幅度振动致使圆形编码点三维坐标计算不准确的问题。
如图1所示，本发明提供一种用于直升机桨叶运动姿态测量的编码点坐标校正方法，包括如下步骤：
S1：构建包含刚性连接的第一工业相机、第二工业相机和第三工业相机组成的测量单元，所述第一工业相机和所述第二工业相机相邻并存在第一公共视区组成第一组双目测量单元、所述第二工业相机和所述第三工业相机相邻并存在第二公共视区组成第二组双目测量单元；
S2：分别对所述第一组双目测量单元和所述第二组双目测量单元进行标定，得到标定结果；
S3：在直升机的桨叶下表面粘贴编码点，在参考物上粘贴参考编码点，所述桨叶下表面的编码点处于所述第一工业相机和所述第二工业相机视场范围内，所述参考物上的参考编码点处于所述第三工业相机的视场范围内，计算所述参考编码点的三维坐标；
S4：在所述直升机的桨叶运动过程中，所述第一工业相机和所述第二工业相机分别获得包含所述编码点的二维图像，根据所述标定结果重建成所述编码点的三维坐标；
S5：在所述直升机的桨叶运动过程中，所述第三工业相机实时追踪所述参考编码点，计算所述第三工业相机的运动姿态，进而得到所述第一工业相机和所述第二工业相机的运动姿态；
S6：根据所述第一工业相机和所述第二工业相机的运动姿态对所述编码点的三维坐标进行校正。
在本发明的一种实施例中，第一工业相机、第二工业相机和第三工业相机并排放置且固连在刚性横梁上。第一工业相机和第二工业相机存在第一公共视区，第二工业相机和第三工业相机存在第二公共视区。本发明利用第三工业相机测量相机相对参考编码点的运动姿态，通过坐标变换，将该姿态矩阵变换到第一和第二工业相机坐标系统下，用于更新桨叶编码点位置坐标，计算简单，结果准确；此外，编码点的识别、匹配相对于普通的圆形标记点成功率更高，操作简单、灵活、准确。
进一步地，包含三个工业相机的测量单元组成了两组双目测量单元，节约了一个相机，降低成本。
再进一步地，在测量直升机运动姿态过程中也需要使用编码点，因此这个运动补偿技术能够很好地融合到测量过程中，不需要使用其他的仪器设备就可以对测量单元的相对位移进行测量，因此充分利用现有资源的优点。
更进一步地，通过非接触光学测量方法，基于现有光学测量系统计算系统自身的相对运动，相对于其他传感器具有操作简单、结果精确的优点。
在一种具体的实施例中，采用如上的方法对用于直升机桨叶运动姿态测量的编码点坐标校正。具体地，包括如下：
1.构建包含刚性连接的第一工业相机、第二工业相机和第三工业相机组成的测量单元，所述第一工业相机和所述第二工业相机相邻并存在公共视区组成第一组双目测量单元、所述第二工业相机和所述第三工业相机相邻并存在公共视区组成第二组双目测量单元；
如图2所示，构建三个工业相机2并排放置且固连在刚性横梁上，桨叶1 下表面粘贴编码点3，在参考物，比如墙上粘贴参考编码点4。
2.分别对所述第一组双目测量单元和所述第二组双目测量单元进行标定，得到标定结果；
在本发明的一种实施例中，利用十字标尺对两组所述双目测量单元进行标定，确定相邻相机间的变换矩阵和相机成像畸变参数；十字标尺包含圆形编码点。
如图3所示，对所述第一组双目测量单元和所述第二组双目测量单元进行标定包括如下步骤：
S21：采用所述第一工业相机、所述第二工业相机和所述第三工业相机拍摄不同位姿十字标尺，生成标定图像，识别所述标定图像上的编码点；
在本发明的一种实施例中，还可以对每一个工业相机拍摄的标定图像进行分组编号方便后续处理；可以根据编码点检测算法检测标定图像中十字标尺编码点中心像素点的坐标和编码值。
十字标尺用于标定双目测量单元，标定的意思是以测量单元的一个相机为基准，确定另一个相机的相对位置，以及两个相机和镜头的成像畸变参数。对于十字标尺放置，要求距离相机合适的距离，使得十字标尺成像处于图像的中间位置，且刚好占满图像(也就是说相机刚好能够拍全十字标尺)并按照标定的要求以若干标准姿态摆放十字标尺，并拍摄不同姿态下十字标尺的图像。
如图4所示，是本发明实施例中一种圆形编码点的示意图。
如图5所示，是本发明实施例中一种十字标尺的示意图。
S22：利用摄影测量技术，选择两张所述标定图像进行相对定向，计算得到部分所述编码点的三维坐标；根据所述编码点的三维坐标对单张所述标定图像进行绝对定向，确定拍摄所述标定图像的工业相机在十字标尺的世界坐标系中的位姿以及计算剩余编码点的三维坐标，从而获得各个工业相机的初始外参数；
S23：利用所述初始外参数和初始内参数作为初值，基于光束平差算法求解所述第一组双目测量单元和所述第二组双目测量单元的标定结果。
在本发明的一种实施例中，标定结果包括：平移矩阵、旋转矩阵组成的第一外参数，主点偏差、镜头焦距以及畸变参数组成的第一内参数。平移矩阵、旋转矩阵用于表述工业相机间的相对位置。主点偏差、镜头焦距用于构造内参矩阵。变换矩阵与内参矩阵均用于对图像的编码点进行三维重建，获得编码点三维坐标。
畸变参数包括径向畸变参数、偏心畸变参数、像平面畸变参数。
根据所述标定结果对所述第一工业相机、所述第二工业相机和所述第三工业相机的成像畸变造成的像素偏差建模如下公式一所示：
Figure BDA0002765410230000101
其中，Δxr表示图像的径向畸变在x方向的分量，Δyr表示图像的径向畸变在 y方向的分量；Δxt表示图像的偏心畸变在x方向的分量，Δyt表示图像的偏心畸变在y方向的分量，Δxp表示图像的像平面畸变在x方向的分量，Δyp表示图像的像平面畸变在y方向的分量；
Δxr、Δyr、Δxt、Δyt、Δxp、Δyp具体计算公式如下：
Figure BDA0002765410230000102
其中，K1，K2，K3表示径向畸变参数；B1，B2表示偏心畸变参数；E1，E2表示像平面畸变参数；
Figure BDA0002765410230000103
(xc，yc)表示图像中心像素点坐标，(x，y)表示图像像素坐标。
径向畸变参数、偏心畸变参数、平面畸变参数是通过上述标定得到的。编码点的像素坐标校正时将上述像素偏差加上像素坐标即可。
在本发明的一种实施例中，为了后续计算方便，使得第二工业相机坐标系与坐标系世界重合，此时以第二工业相机为基准，更新第一工业相机和第二工业相机的外参数；令第二工业相机坐标系与世界坐标系重合的目的，就是此时第二工业相机相对世界坐标系的平移和旋转变成了零向量和单位矩阵，只需要关注剩下的两个相邻的变换矩阵就可以，这样在计算中就很直观。具体包括：以所述第二工业相机为基准相机，将所述第一工业相机和所述第三工业相机的第一外参数转到所述第二工业相机的坐标系下，获得第二外参数，具体包括如下步骤：
令Ri,j，Ti,j分别表示所述标定图像相对所述十字标尺的世界坐标系的旋转矩阵和平移矩阵，将所述第二工业相机的外参数转换到坐标原点，此时世界坐标系从所述十字标尺的世界坐标系变为所述第二工业相机所在坐标系；
将所述第一工业相机、所述第三工业相机的第一外参数变换到以所述第二工业相机为基准的坐标系下：
Figure BDA0002765410230000111
计算第二外参数：
Figure BDA0002765410230000112
其中，i＝1，2，3，j＝1，2，...，n，n表示标定图像数量。3.在直升机的桨叶下表面粘贴编码点，在参考物上粘贴参考编码点，所述桨叶下表面的编码点处于所述第一工业相机和所述第二工业相机视场范围内，所述参考物上的参考编码点处于所述第三工业相机的视场范围内，计算所述参考坐标点的三维坐标；
4.在所述直升机的桨叶运动过程中，所述第一工业相机和所述第二工业相机分别获得包含所述编码点的二维图像，根据所述标定结果重建成所述编码点的三维坐标；
具体地，识别出二维图像中的所述编码点，提取编码点的中心像素点，并根据相机成像畸变参数对中心像素点进行校正，得到校正后的中心像素点，并得到校正后的中心像素点的二维坐标，根据变换矩阵将所述二维坐标重建成编码点的三维坐标。
在所述直升机的桨叶运动过程中，所述第三工业相机实时追踪所述参考编码点，计算所述第三工业相机的运动姿态包括：
根据所述参考编码点的三维坐标构建如下误差方程：
V＝Bt-L
其中：
Figure BDA0002765410230000113
Figure BDA0002765410230000121
t＝[ΔXs ΔYs ΔZs Δφ Δω Δκ]T
Figure BDA0002765410230000122
其中，V表示像素点坐标；B表示外参数偏导数矩阵；t表示外参数， (ΔXs，ΔYs，ΔZs)表示平移向量，
Figure BDA0002765410230000124
表示欧拉角，欧拉角用于转化为旋转矩阵；L表示图像像素点坐标观测值与初值偏差，初值是使用参考编码点通过求解共线方程得到；
求解所述误差方程得到所述第三工业相机的运动姿态t。
因为未知数t只含有6个元素，所以只需要3个参考编码点即可进行计算，再将t中的外参数变换为平移矩阵R0和旋转矩阵T0。
5.在所述直升机的桨叶运动过程中，所述第三工业相机实时追踪所述参考编码点，计算所述第三工业相机的运动姿态，进而得到所述第一工业相机和所述第二工业相机的运动姿态；
在本发明中，假设第三工业相机的运动姿态与第一和第二工业相机的运动子图一致，因此认为第一和第二工业相机的运动姿态也是步骤5中计算的t，由于该运动姿态是由于测量系统的运动造成的，需要根据姿态矩阵对当前的桨叶下表面的编码点坐标进行更新，实现运动的桨叶下表面的编码点坐标校正。
在一种具体的实施例中，根据所述第一工业相机和所述第二工业相机的运动姿态对所述编码点的三维坐标进行校正。
根据所述第一工业相机和所述第二工业相机的运动姿态对所述编码点的三维坐标进行校正，校正后的桨叶下表面的编码点的三维坐标Cr和中间变量Cb通过如下公式计算得到：
Figure BDA0002765410230000123
将所述中间变量Cb代入校正后的桨叶下表面的编码点的三维坐标Cr得到校正后所述编码点的三维坐标如下：
Cr＝RF -1(W-TF)
其中：
RF＝R0RR
TF＝T0+R0TR
其中，R0是第三工业相机跟踪参考编码点得到的旋转矩阵，T0是第三工业相机跟踪参考编码点得到的平移矩阵，W是桨叶下表面的编码点的三维坐标，平移矩阵RR和旋转矩阵TR是第一工业相机相标定得到的变换矩阵。
如图6所示，本发明还提供一种用于直升机桨叶运动姿态测量的编码点坐标校正系统，包括：
第一单元：构建包含刚性连接的第一工业相机、第二工业相机和第三工业相机组成的测量单元，所述第一工业相机和所述第二工业相机相邻并存在第一公共视区组成第一组双目测量单元、所述第二工业相机和所述第三工业相机相邻并存在第二公共视区组成第二组双目测量单元；
第二单元：分别对所述第一组双目测量单元和所述第二组双目测量单元进行标定，得到标定结果；
第三单元：在直升机的桨叶下表面粘贴编码点，在参考物上粘贴参考编码点，所述桨叶下表面的编码点处于所述第一工业相机和所述第二工业相机视场范围内，所述参考物上的参考编码点处于所述第三工业相机的视场范围内，计算所述参考编码点的三维坐标；
第四单元：在所述直升机的桨叶运动过程中，所述第一工业相机和所述第二工业相机分别获得包含所述编码点的二维图像，根据所述标定结果重建成所述编码点的三维坐标；
第五单元：在所述直升机的桨叶运动过程中，所述第三工业相机实时追踪所述参考编码点，计算所述第三工业相机的运动姿态，进而得到所述第一工业相机和所述第二工业相机的运动姿态；
第六单元：根据所述第一工业相机和所述第二工业相机的运动姿态对所述编码点的三维坐标进行校正。
在本发明的一种具体的实施例中，在试验室内针对缩小比例模型的直升机桨叶进行试验，试验前，在桨叶下表面粘贴编码点，在试验室墙壁上粘贴参考编码点。
在桨叶运动到某位置后，测量该位置处桨叶编码点的三维坐标，为了说明技术的有效性，需要计算该位置处编码点的标准坐标，该坐标作为参考，与使用坐标校正技术后计算的编码点坐标进行比较，如果现有技术得到的结果更接近于标准值，那么就说明该技术有效。
本试验使用激光位置传感器对测量系统进行触发采集，即当粘贴编码点的桨叶运动到相同位置就会触发测量系统采集图像，以计算编码点坐标。当桨叶以低速运转时假设测量系统不会受到干扰，是静止不动的，此时采集到编码点图像后重建的坐标认为是标准值。当桨叶高速运转时，测量系统明显受到影响，产生相对运动，使用本文的技术进行相同编码点坐标校正后得到该编码点的校正坐标。计算过程中如果不使用根据第三工业相机拍摄图像计算的变换矩阵进行校正，直接计算出第一工业相机和第二工业相机测量的编码点坐标，则获得了该编码点未校正的坐标值，根据标准值可计算最大误差、最小误差、误差平均值。
首先，标定三个相机，然后，使用本发明提出的技术，使用第三工业相机追踪参考编码点，用第一和第二工业相机三维重建桨叶标记点三维坐标，使用第三工业相机计算的相对运动关系以及第三工业相机相对第二工业相机的位置关系更新桨叶编码点坐标获得校正坐标。
对4个编码点测量50次统计使用编码点坐标校正技术和不使用该技术的误差最大值、最小值、平均值结果如下表1所示。
表1振动误差统计表
Figure BDA0002765410230000141
Figure BDA0002765410230000151
对实验结果进行分析，本发明的方法在试验环境下不校正三维坐标的多点测量最大误差值约为0.57mm，最大误差均值约为0.38mm，而校正后多点测量最大误差约为0.074mm，最大误差均值约为0.06mm，表明本发明所提出的校正方法是可行的、且精度较高。
本申请实施例还提供一种控制装置，包括处理器和用于存储计算机程序的存储介质；其中，处理器用于执行所述计算机程序时至少执行如上所述的方法。
本申请实施例还提供一种存储介质，用于存储计算机程序，该计算机程序被执行时至少执行如上所述的方法。
本申请实施例还提供一种处理器，所述处理器执行计算机程序，至少执行如上所述的方法。
所述存储介质可以由任何类型的易失性或非易失性存储设备、或者它们的组合来实现。其中，非易失性存储器可以是只读存储器(ROM，Read Only Memory)、可编程只读存储器(PROM，Programmable Read-Only Memory)、可擦除可编程只读存储器(EPROM，ErasableProgrammable Read-Only Memory)、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM，ElectricallyErasable Programmable Read-Only Memory)、磁性随机存取存储器(FRAM，FerromagneticRandom Access Memory)、快闪存储器(Flash Memory)、磁表面存储器、光盘、或只读光盘(CD-ROM，Compact Disc Read-Only Memory)；磁表面存储器可以是磁盘存储器或磁带存储器。易失性存储器可以是随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)，其用作外部高速缓存。通过示例性但不是限制性说明，许多形式的RAM可用，例如静态随机存取存储器(SRAM，Static Random Access Memory)、同步静态随机存取存储器(SSRAM，SynchronousStatic Random Access Memory)、动态随机存取存储器(DRAM， DynamicRandom AccessMemory)、同步动态随机存取存储器(SDRAM， Synchronous Dynamic RandomAccessMemory)、双倍数据速率同步动态随机存取存储器(DDRSDRAM，Double DataRateSynchronous Dynamic Random Access Memory)、增强型同步动态随机存取存储器(ESDRAM，Enhanced Synchronous Dynamic Random Access Memory)、同步连接动态随机存取存储器(SLDRAM， SyncLink Dynamic Random Access Memory)、直接内存总线随机存取存储器 (DRRAM，Direct Rambus Random Access Memory)。本发明实施例描述的存储介质旨在包括但不限于这些和任意其它适合类型的存储器。
在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统和方法，可以通过其它的方式实现。以上所描述的设备实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，如：多个单元或组件可以结合，或可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另外，所显示或讨论的各组成部分相互之间的耦合、或直接耦合、或通信连接可以是通过一些接口，设备或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性的、机械的或其它形式的。
上述作为分离部件说明的单元可以是、或也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是、或也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，也可以分布到多个网络单元上；可以根据实际的需要选择其中的部分或全部单元来实现本实施例方案的目的。
另外，在本发明各实施例中的各功能单元可以全部集成在一个处理单元中，也可以是各单元分别单独作为一个单元，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中；上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用硬件加软件功能单元的形式实现。
本领域普通技术人员可以理解：实现上述方法实施例的全部或部分步骤可以通过程序指令相关的硬件来完成，前述的程序可以存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，执行包括上述方法实施例的步骤；而前述的存储介质包括：移动存储设备、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器 (RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
或者，本发明上述集成的单元如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，也可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明实施例的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机、服务器、或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分。而前述的存储介质包括：移动存储设备、ROM、RAM、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
本申请所提供的几个方法实施例中所揭露的方法，在不冲突的情况下可以任意组合，得到新的方法实施例。
本申请所提供的几个产品实施例中所揭露的特征，在不冲突的情况下可以任意组合，得到新的产品实施例。
本申请所提供的几个方法或设备实施例中所揭露的特征，在不冲突的情况下可以任意组合，得到新的方法实施例或设备实施例。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所做的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干等同替代或明显变型，而且性能或用途相同，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种用于直升机桨叶运动姿态测量的编码点坐标校正方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1：构建包含刚性连接的第一工业相机、第二工业相机和第三工业相机组成的测量单元，所述第一工业相机和所述第二工业相机相邻并存在第一公共视区组成第一组双目测量单元、所述第二工业相机和所述第三工业相机相邻并存在第二公共视区组成第二组双目测量单元；
S2：分别对所述第一组双目测量单元和所述第二组双目测量单元进行标定，得到标定结果；
S3：在直升机的桨叶下表面粘贴编码点，在参考物上粘贴参考编码点，所述桨叶下表面的编码点处于所述第一工业相机和所述第二工业相机的视场范围内，所述参考物上的参考编码点处于所述第三工业相机的视场范围内，计算所述参考编码点的三维坐标；
S4：在所述直升机的桨叶运动过程中，所述第一工业相机和所述第二工业相机分别获得包含所述编码点的二维图像，根据所述标定结果重建成所述编码点的三维坐标；
S5：在所述直升机的桨叶运动过程中，所述第三工业相机实时追踪所述参考编码点，计算所述第三工业相机的运动姿态，进而得到所述第一工业相机和所述第二工业相机的运动姿态；
S6：根据所述第一工业相机和所述第二工业相机的运动姿态对所述编码点的三维坐标进行校正。
2.如权利要求1所述的用于直升机桨叶运动姿态测量的编码点坐标校正方法，其特征在于，利用十字标尺对所述第一组双目测量单元和所述第二组双目测量单元进行标定，所述十字标尺包含圆形编码点。
3.如权利要求1所述的用于直升机桨叶运动姿态测量的编码点坐标校正方法，其特征在于，对所述第一组双目测量单元和所述第二组双目测量单元进行标定包括如下步骤：
S21：采用所述第一工业相机、所述第二工业相机和所述第三工业相机拍摄不同位姿十字标尺，生成标定图像，识别所述标定图像上的编码点；
S22：利用摄影测量技术，选择两张所述标定图像进行相对定向，计算得到部分所述编码点的三维坐标；根据所述编码点的三维坐标对单张所述标定图像进行绝对定向，确定拍摄所述标定图像的工业相机在十字标尺的世界坐标系中的位姿以及计算剩余编码点的三维坐标，从而获得各个工业相机的初始外参数；
S23：利用所述初始外参数和初始内参数作为初值，基于光束平差算法求解所述第一组双目测量单元和所述第二组双目测量单元的标定结果。
4.如权利要求3所述的用于直升机桨叶运动姿态测量的编码点坐标校正方法，其特征在于，所述标定结果包括：平移矩阵、旋转矩阵组成的第一外参数，主点偏差、镜头焦距以及畸变参数组成的第一内参数；
根据所述标定结果对所述第一工业相机、所述第二工业相机和所述第三工业相机的成像畸变造成的像素偏差建模如下公式一所示：
Figure FDA0002765410220000021
其中，Δxr表示图像的径向畸变在x方向的分量，Δyr表示图像的径向畸变在y方向的分量；Δxt表示图像的偏心畸变在x方向的分量，Δyt表示图像的偏心畸变在y方向的分量，Δxp表示图像的像平面畸变在x方向的分量，Δyp表示图像的像平面畸变在y方向的分量；
Δxr、Δyr、Δxt、Δyt、Δxp、Δyp具体计算公式如下公式二所示：
Figure FDA0002765410220000022
其中，K1，K2，K3表示径向畸变参数；B1，B2表示偏心畸变参数；E1，E2表示像平面畸变参数；
Figure FDA0002765410220000023
(xc，yc)表示图像中心像素点坐标，(x，y)表示图像像素坐标。
5.如权利要求4所述的用于直升机桨叶运动姿态测量的编码点坐标校正方法，其特征在于，还包括：
以所述第二工业相机为基准相机，将所述第一工业相机和所述第三工业相机的所述第一外参数转到所述第二工业相机的坐标系下，获得第二外参数，具体包括如下步骤：
令Ri，j，Ti，j分别表示所述标定图像相对所述十字标尺的世界坐标系的旋转矩阵和平移矩阵，将所述第二工业相机的所述第一外参数转换到坐标原点，将世界坐标系从所述十字标尺的世界坐标系变为所述第二工业相机所在坐标系；
将所述第一工业相机、所述第三工业相机的所述第一外参数变换到以所述第二工业相机为基准的坐标系下：
Figure FDA0002765410220000031
计算所述第二外参数：
Figure FDA0002765410220000032
其中，i＝1，2，3，j＝1，2，...，n，n表示标定图像数量。
6.如权利要求5所述的用于直升机桨叶运动姿态测量的编码点坐标校正方法，其特征在于，在步骤S4中，识别出所述二维图像中的所述编码点，提取所述编码点的中心像素点，并根据所述相机成像畸变参数对所述中心像素点进行校正，得到校正后的中心像素点，并得到所述校正后的中心像素点的二维坐标，根据所述外参数将所述二维坐标重建成所述编码点的三维坐标。
7.如权利要求6所述的用于直升机桨叶运动姿态测量的编码点坐标校正方法，其特征在于，在所述直升机的桨叶运动过程中，所述第三工业相机实时追踪所述参考编码点，计算所述第三工业相机的运动姿态包括：
根据所述参考编码点的三维坐标构建如下误差方程：
V＝Bt-L
其中：
Figure FDA0002765410220000041
Figure FDA0002765410220000042
t＝[ΔXs ΔYs ΔZs Δφ Δω Δκ]T
Figure FDA0002765410220000043
其中，V表示像素点坐标；B表示外参数偏导数矩阵；t表示外参数，(ΔXs，ΔYs，ΔZs)表示平移向量，
Figure FDA0002765410220000044
表示欧拉角，欧拉角用于转化为旋转矩阵；L表示图像像素点坐标观测值与初值偏差，初值是使用参考编码点通过求解共线方程得到；
求解所述误差方程得到所述第三工业相机的运动姿态t。
8.如权利要求6所述的用于直升机桨叶运动姿态测量的编码点坐标校正方法，其特征在于，根据所述第一工业相机和所述第二工业相机的运动姿态对所述编码点的三维坐标进行校正，校正后的桨叶下表面的编码点的三维坐标Cr和中间变量Cb通过如下公式计算得到：
Figure FDA0002765410220000045
将所述中间变量Cb代入校正后的桨叶下表面的编码点的三维坐标Cr得到校正后所述编码点的三维坐标如下：
Cr＝RF -1(W-TF)
其中：
RF＝R0RR
TF＝T0+R0TR
其中，R0是所述第三工业相机跟踪所述参考编码点得到的旋转矩阵，T0是所述第三工业相机跟踪所述参考编码点得到的平移矩阵，W是桨叶下表面的编码点的三维坐标，平移矩阵RR和旋转矩阵TR是所述第一工业相机相标定得到的变换矩阵。
9.一种用于直升机桨叶运动姿态测量的编码点坐标校正系统，其特征在于，包括：
第一单元：构建包含刚性连接的第一工业相机、第二工业相机和第三工业相机组成的测量单元，所述第一工业相机和所述第二工业相机相邻并存在第一公共视区组成第一组双目测量单元、所述第二工业相机和所述第三工业相机相邻并存在第二公共视区组成第二组双目测量单元；
第二单元：分别对所述第一组双目测量单元和所述第二组双目测量单元进行标定，得到标定结果；
第三单元：在直升机的桨叶下表面粘贴编码点，在参考物上粘贴参考编码点，所述桨叶下表面的编码点处于所述第一工业相机和所述第二工业相机视场范围内，所述参考物上的参考编码点处于所述第三工业相机的视场范围内，计算所述参考编码点的三维坐标；
第四单元：在所述直升机的桨叶运动过程中，所述第一工业相机和所述第二工业相机分别获得包含所述编码点的二维图像，根据所述标定结果重建成所述编码点的三维坐标；
第五单元：在所述直升机的桨叶运动过程中，所述第三工业相机实时追踪所述参考编码点，计算所述第三工业相机的运动姿态，进而得到所述第一工业相机和所述第二工业相机的运动姿态；
第六单元：根据所述第一工业相机和所述第二工业相机的运动姿态对所述编码点的三维坐标进行校正。
10.一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1-8任一所述方法的步骤。
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